Download pdf - Sunce prezentacija

Energija suncaKorištenje energije sunca za proizvodnju el. energije (i grijanje)

Prof.dr.sc. Zdenko Šimić

FER 2010.

[email protected]

Energijske tehnologijeZdenko Šimić - Energija Sunca 22

Sadržaj

• Uvod

• Sunčevo zračenje na horizontalnu i položenu

plohu

• Korištenje energije zračenja Sunca za grijanje

• Korištenje energije zračenja Sunca za

proizvodnju električne energije

• Ukratko

2


Uvod: Korištenje energije sunca

• život na zemlji

• vjerovanja

• prvi pokušaji korištenja krajem 19. st.

• 1954. prva fotonaponska ćelija

• najrazvijenije korištenje za grijanje

• komercijalno razvijene termoelektrane koje koriste toplinu proizvedenu sunčevim zračenjem

• cijena u opadaju

Le bagnanti, Pablo Picasso, 1918

Taperet praying to the sun

Solarni parni strojevi: Pariz 1878 i Pasadena CA 1901

Energijske tehnologije

Snaga i energija sa Sunca G0 = 1370 W/m2

- na rubu atmosfere pola Zemlje- solarna konstanta srednja vrijednost (±3,5%)

G = Kt·G0

- na tlu ovisi o atmosferiKt – indeks prozirnostiProsječna snaga na tlu (24h) – 200 W/m2

4

Solarna energija godišnje

dozračena na Zemlju

Trenutno korištena solarna energija

Rezerve prirodnog plina

Rezerve ugljena

Rezerve nafte

Rezerve urana

Godišnja svjetska potrošnja energije


Panel: najbolji fiksni nagib za cijelu godinu g= o, za ljeto lj= o – 15 o i zimu z= o +15 o

Energija i snaga sunčeva zračenja na Zemlji

Ozračenje – gustoća snage G [W/m2]

(iradijacija, insolacija)

Ozračenost – gustoća energije H [Ws/m2]

Zemljopisna širina

Deklinacija Sunca - kut između ravnine

ekvatora i spojnice središta Zemlje i Sunca

Satni kut Sunca - vrijeme izraženo pomoću

kuta (1h15o, 0o za Sunce u najvišem položaju,

negativno prije podne: npr. 10h sunč. vremena

odgovara sat. kutu =-30o; s satni kut

izlaska/zalaska: =0o/180o u formuli

Visina Sunca - kut između horizonta i Sunca

Azimut Sunca - kut na ravnini horizonta

Između pravca prema jugu i pravca

projekcije sunčevih zraka na

horizont (0o za Sunce u najvišem

položaju, negativno prije podne)

365

81360sin45,23

n

5

Jug

Prosinac

Studeni

Svibanj

Lipanj

Srpanj

Siječanj

Energijske tehnologije6

Prividno gibanje Sunca kroz godinu i dan


Mjerenje ozračenosti (Sunčeva energija)

• Piranometri:

– termički ili

– poluvodički

• Zračenje na ravnoj plohi:

– globalno (ukupno),

– direktno i

– difuzno (raspršeno)

• Važan je iznos i trajanje dnevne ozračenosti (insolacije)

• Najčešće se mjeri samo globalna (ukupna) ozračenost

– tada je potrebno izračunavati udio direktne i difuzne komponente

• Rezultati mjerenja su dostupni kao ozračenost na ravnu plohu za prosječni dan u mjesecu: [Wh/m2 ili J/m2]

• Za sve primjene nužno je razlučiti direktni i difuzni dio

Zdenko Šimić - Energija Sunca

difuzno

direktno

globalno

direktno

difuzno

H

7


Mjerenja i proračun

Zdenko Šimić - Energija Sunca 8

Ukupna godišnja ozračenost na:• horizontalnu plohu i na • plohu pod optimalnim fiksnim nagibom.


Panel pod nagibom

H, kWh/m2/dan

sije. velj. ožu. trav. svib. lip. srp. kol. ruj. list. stud. pros. GOD . kWh/m2

Split 1,71 2,65 3,80 4,93 6,07 6,94 6,96 5,96 4,64 3,31 1,92 1,44 1533

Zagreb 0,97 1,63 2,95 4,22 5,31 5,82 6,01 5,03 3,90 2,32 1,16 0,73 1223

Srednja dnevna ozračenosti na horizontalnu plohu za Split i Zagreb:

rdb HHHH

ß – kut nagiba panelab – (beam) direktni diod – (difuse) difuzni dior – (reflected)

reflektirani dio

9

[1kWh=3,6MJ]• često su dostupne samo vrijednosti kao u tablici iznad

• za većinu primjena potrebno je odrediti ukupnu ozračenost na

plohu pod nekim nagibom koja se sastoji od tri dijela:

– direktni dio (b) se određuje preko produkta direktne ozračenosti na ravnu površinu i faktora proporcionalnosti

– difuzni dio (d) se određuje preko difuzne ozračenosti na ravnu plohu i prostornog kuta pod kojim se 'vidi' nebo s plohe uz pretpostavku o izotropnosti neba

• difuzna ozračenost na ravnu plohu se određuje primjenom korelacije (npr. Kulišić) s ukupnom ozračenosti H na horizontalnu površinu i indeksom prozirnosti

• indeks prozirnosti određuje omjer ukupne ozračenosti i ozračenosti na ulazu u atmosferu H0

– reflektirani dio (r) se računa preko produkta faktora refleksije, ukupne ozračenosti na ravnu plohu i proporcional-nosti s dijelom okoline koja odbija svjetlost na plohu ()

– za horizont. plohu najčešće nema reflektirane komponente

• za jednostavne proračune valja znati udio pojedinih komponenti zračenja i ukupnu ozračenost na horizontalnu površinu


Sunčevo ozračenje na kolektor u horizontalnom

položaju, pod nagibom i u pokretu

zora sutonvrijeme tijekom dana

Wm-2

1000

500

Pokretni kolektor

slanted

Promjena položaja-u jednoj osi daje 25% do 30% više energije-u dvije osi daje 30% do 40% više energije- sunčanije lokacije imaju više koristi

Promjena položaja-poskupljuje instalaciju (duplo)-otežava održavanje-veća masa-mijenjanje položaja u nekoliko navrata (npr. 4x godišnje) ne daje značajno povečanje

10


Od izmjerenoga do potrebnoga

11

Srednja dnevna ozračenosti na plohu pod 0o, 30o i 60o zaSplit i Zagreb prema podacima iz “Sunčevo zračenje na području RH”, Z. Matić, EIHP 2007.Podaci za horizontalni položaj su mjereni, a za sve ostale kutove se proračunavaju.

H

kWh/m2

/dan

sije. velj. ožu. trav. svib. lip. srp. kol. ruj. list. stud. pros. prosj

GOD .

kWh

/m2

Split, 0o

1,71 2,65 3,80 4,93 6,07 6,94 6,96 5,96 4,64 3,31 1,92 1,44 4,20 1533

Zagreb, 0o

0,97 1,63 2,95 4,22 5,31 5,82 6,01 5,03 3,90 2,32 1,16 0,73 3,35 1223

Split, 30o

2,75 3,79 4,57 5,20 5,88 6,47 6,61 6,10 5,39 4,50 2,94 2,38 4,72 1723

Zagreb,

30o 1,32 2,06 3,44 4,43 5,18 5,48 5,76 5,14 4,50 2,97 1,55 0,97 3,58 1307

Split, 60o

3,20 4,13 4,43 4,52 4,74 4,99 5,17 5,14 5,06 4,75 3,35 2,83 4,36 1591

Zagreb,

60o 1,43 2,13 3,30 3,89 4,24 4,36 4,62 4,38 4,23 3,05 1,66 1,05 3,20 1168


Grijanje

• pasivno

• aktivno

Korištenje sunčeve energija

Električna energija

• direktno

• u elektranama

12

parabolični protočni solarni toranj

linearne Fresnel leće

parabolični tanjur


GRIJANJE

Korištenje Sunca

(NREL)

www.re-solutions.org

www.q-solar.com

Toplije

Hladnije

Izmjenjivač

topline

Električni

grijač

Ulaz

Izlaz

Pokrov

Toplinski izolirana kutija

Termosifonsko izmj. topline

Podloga (krov)

Crno obojan

ansorber

Sunčevo zračenje

Izmj. topline (cijev u

termalnom kontaktu s

absorberom)

Spremnik


Pasivno solarno grijanje

Potencijali:

• Zadovoljenje desetine

postotaka potreba za

grijanjem

• Od jednostavnih rješenja

do sofisticiranih izvedbi

• Svjetlo po danu, upravljivi

pokrovi, vakumirano staklo

• EU 2010: pasivno solarno

grijanje štedi 10% potreba

za grijanjem prostora

Zahtjevi:

• Velika južna površina za prihvat sunčeva zračenja.

• Konstrukcija s velikom termalnom masom (npr. gusti beton ili cigle).Ovo sprema toplinsku energiju za dana i zadržava preko noći.

• Dobra izolacije na vanjskim strukturama za održavanje topline

• Izbjegavanje zasjenjivanja objekata.



Aktivno solarno grijanje

• Nisko-temperaturni kolektori:

– Bez pokrova za grijanje npr. bazena.

– Perforirane ploče za predgrijavanje zraka.

• Srednje-temperaturni kolektori:

– Izolirani kolektori s pokrovom.

• Visoko-temperaturni kolektori:

– Vakumirane cijevi.

– Koncentrirajući

Solarni toplinski kolektori preuzimaju energiju svjetlosnog zračenja i griju vodu. Solarni toplinski kolektori se mogu kategorizirati prema temperaturi na koju griju vodu.


Efikasnost ravnih kolektora

Efikasnost = Korisna toplina / Solarno zračenje

= Q.

k / (GA)=Qk/(H A)

Korisna toplina = Primljeno - Gubitci

Qk = F A [aG - k T]t

Qk = F A [aH - k T t]

Efikasnost = F [a- k T /G]

Propusnost stakla prema

valnoj duljini svjetlosti

GaFA

k TFA

Q.

k

A = površina kolektora (m2)

G = globalno (ukupno) ozračenje (W/m2)

F = faktor prijenosa topline iz apsorbera na medij

(vodu)

Q.

k = korisna toplinska snaga (W)

k = koeficijent ukupnih topl. gubitaka (W/m2K)

T = u- z

u = ulazna temperatura medija

z = vanjska temperatura zraka

a = efektivni produkt

= transmitivnost pokrova

= apsorptivnost apsorbera

GA


Efikasnost kolektora određuje konstrukcija i razlika temperature

u- z temperatura iznad ambijentne K _ G solarno zračenje W/m2

Efikasnost =% iskorištene solarne ozračenosti

Bez pokrova najbolji za~ do 10 °C iznad ambijentne

najbolji za~10 do 50 °C iznadambijentne

najbolji zaviše od 50 °C iznad ambijentne

k – koef. ukup. gub.


PROIZVODNJA EL. EN.

Korištenje Sunca

Parabolična protočna

elektrana

Koncentrirani tanjuri

Energetski toranj Fotonapon


Solarna elektrana – parabolična protočna

• kao i sve druge koncentrirane teh. koristi samo direktno zračenje

• najrazvijenija tehnologija

• instalirano više stotina MWe

• koncentracija sunca 75x

• temperature do 500 oC

• godišnja efikasnost (sunce u el. en.) do 14%

• obično prati sunce ist.-zapad

• Rankine ciklus direktno ili posredno

• cijena blizu konkurentne drugim izvorima

• optimalna snaga 200 MWe

• unapređenja na cijevima i spremanju topline (otopljena sol)


30 MWe, Kramer Junction, California


Solarna elektrana –solarni toranj

• manje razvijenija tehnologija u odnosu na parabolične protočne

• instalirano probno više desetaka MWe

• koncentracija sunca 800x

• temperature do 560 oC

• procjena godišnje efikasnosti do 18%

• radni mediji: voda, org. kapljevine

soli natrij nitrata ili zrak

• Rankine ciklus posredno ili direktno

• optimalna snaga 100-e MWe

• unapređenja na cijevima i spremanju topline (otopljena sol)

20

Solar II 10 MWe, California,

skoro 2000 ogledala, 100m toranj, 40 M$

11 MWe, Spain, 600 ogledala



Solarna elektrana – parabolični tanjur

• najmanje razvijen sustav

• instalirano probno više MWe

• koncentracija sunca više od 3000x

• temperature preko 750 oC i godišnja efikasnost od 22%

• svaka jedinica ima 10 do 25 kWe i može raditi

samostalno - modularnost

• Stirlingov toplinski stroj

– t preko 40 %

– visoka gustoća snage ~55kW/L

– problem pouzdanost i cijena koncentratora

• Braytonov topl. stroj i mikroturbine

se također testiraju

• planovi za stotine MWe



Fotonaponska sunčeva

• fotoefekt otkrio Becquerel 1839.

• Einstein objasnio fotoefekt 1905.

• direktna konverzija solarnog zračenja u el. energiju

• prva moderna FN ćelija napravljena 1954. u Bell Labs

• kristal silicija (ili drugi poluvodič) apsorbira svjetlost – odgovarajuće zračenje oslobađa elektron

• slobodni elektron znači elektricitet


Kako radi FN ćelija• Kristali silicija dopirani atomima

različitog broja valentnih elektrona

– Silicij 4,

– Fosfor 5 i Bor 3

• Fosforom dopirani silicij postaje n-sloj, sa slobodnim elektronima

• Borom dopirani silicij postane p-sloj, sa šupljinama

1. Elektroni idu od n-sloja prema p-sloju

2. Inicijalno neutralni p-n spoj ima električno polje – napon između p-sloja i n-sloja

3. Fotoni oslobađaju elektrone u p-n spoju koje električno polje usmjerava u n-sloj

4. Nagomilani elektroni struje kroz priključeni teret – električna energija


Učinkovitost FN ćelije

• 77% Sunčeva spektra iskoristivo:

• Oko 43% apsorbiranog zračenja

samo grije kristal.

• Teorijski maksimum:

– na 0oC efikasnost = 28%

• Efikasnost opada brzo s

porastom temperature

– na 100oC efikasnost = 14% Teorijski maksimum efikasnosti za neke vrste FN ćelija pri standardnim uvjetima ovisno o vrsti ćelije i energiji zabranjenog pojasa Eg.

Bakar Indium Selenid (CuInSe²)

Galij Arsenid, CadmijTelur

2010.

Za izbijanje elektrona foton mora imati veću energiju od Eg.Energija fotona veća od Eg se ne iskoristi potpuno.Ćelije s manjim Eg imaju i manji napon.

24


Sunčevo zračenje i FN ćelija

Samo je dio zračenja u UV području, a

ostalo približno podijeljeno u vidljivom

(0,38-0,78 m) i IC.

Omjer mase zraka = AM

AM0 na vrhu atmosfere

Za q 48 deg AM=1.5


Stupanj djelovanja je definiran kao omjer upadnog ozračenja i električne snage.

Veći stupanj djelovanja od

teorijskog se postiže

kombinacijom poluvodičkih

materijala, kvantnim

točkama i fokusiranjem

sunčeva zračenja.

Temeljni parametri FN ćelija

Amorfni

Si

Monokristalni

Si

Polikristalni

SiVrsta ćelije Uok V Jks / (mA cm-2) η % Proizvodnja

Monokristalična-Si

Polikristalična-Si

Amorfna-Si

Amorfna-Si, 2 sloja, tanki film

Cd S / Cu2 S

Cd S / Cd Te

Ga In PAs / Ga As

0,65

0,60

0,85

0,5

0,7

1

30

26

15

20

15

25

14- 18

~14

8

8,8

12

10,7

21

masovna

masovna

masovna

manje količine

manje količine

manje količine

manje količine


Osnovne karakteristike FN ćelija

27


• U idealnoj fotonaponskoj ćeliji RS=0 (nema serijskog gubitka), i RSH= ∞ (nema rasipanja prema zemlji).

• Vrijednosti otpora za ilustraciju (A=2,5E-3 m2): RS = 1 i RSH = 100

• Učinkovitost fotonaponske ćelije je osjetljiva na male promjene RS, ali nije osjetljiva na promjene RSH. Malo povećanje u serijskom otporu RS može značajno smanjiti izlazne karakteristike

• Napon praznog hoda VPH ćelije određuje se kada je ćelija neopterećena (struja potrošača I = 0), prema izrazu: VPH = V+IRSH

• Struja diode je dana izrazom:

1

AKT

QVII PHDd

ID = struja zasićenja diodeQ = 1.6 10-19 CA = prilagođavanje krivulje konstanteK = Boltzmannova konstanta = 1.38 10-23 J/KT = temperatura u K

Nadomjesna shema FN ćelijeIzlazna struja I jednaka je struji koju proizvodi

sunčeva svjetlost. Serijski otpor RS predstavlja unutarnji otpor i ovisi o dubini p-n spoja, nečistoćama i otporu spoja.

Energijske tehnologijeObnovljivi izvori energije: Sunce

I-U karakteristika i maksimalna snaga

2010.

Unutrašnji otpori FN ćelije određuju I-U karakteristiku s točkom maksimalne snage.

Za maksimalnu snagu Pm karakteristične su struja Im i napon Um

UOC – napon otvorenog kruga (open circuit, ili UOK ili samo UO )

Omjer maksimalne snage i produkta IKS sa naponom Uo se naziva faktor punjenja F.

Im

Uoc

Točka maksimalne snage, Pm

Isc -struja kratkog spoja

(short circuit, ili IKS)

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.7

U, Napon (V)Um

0UI

UIF

KS

mm

29


Snaga, solarno zračenje i temperatura

I-U karakteristika monokristalne FN ćelije pri

ozračenjima od 200, 600 i 1000W/m2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6U, Napon (V)

I, S

tru

ja(A

)

200 W / m2

600 W / m2

1000 W / m2

I-U karakteristika modula sa monokristalnim FN

ćelijama pri tri različite temperature.


Solarni modul i panel

Temperirano

staklo

Prozirni

laminat

Prozirni

laminat

Solarna

ćelija

PlastikaAluminijski

okvirRazvodna

kutija

31Zdenko Šimić - Energija Sunca


U-Ikarakteristika spoja FN ćelija

32


FN primjene

2010.

Porast kapaciteta preko 40% godišnje.(nekoliko 1GW/god) dovodi u pitanje stabilnu dostupnost Si. Ubrzani rast tehnologija tankog filma.Ekonomičnost još nedostižna, ali se predviđa, uz ovaj rast, za 5 do 10 godina.Oko 19 GW ukupno inst. do kraja 2010.

Instalacije spojene

na mrežu:

>90% instalirane

snage,

ovisi o potpori

33

Potrošačke primjene i

samostalne instalacije

(industrijske u

stambene):

<10% instalirane snage,

ekonomično

Glavni korisnici (2007):

Njemačka, Japan, SAD,

Španjolska

Energijske tehnologijeKorištenje Sunčeve energije

Direktni S baterijama HibridniSamostalni FNsistemi

2010.

Fleksibilnost i optimalni rad se postiže primjenom elektronike snage za ispravljanje, konverziju i rad u točki maksimalne snage

34

FN

Inverter

Teret

FN

Mreža

FN

Teret

DC

AC

Kontrola

FN

Teret

Kontrola

AC


Elektrifikacija udaljenih i nerazvijenih krajeva

Pokazatelji: cijena na sat i cijena po litri vode


FN na mreži

Pokazatelji: estetika, cijena po površini i cijena po energiji

Podudarnost FN proizvodnje i potreba u poslovnoj zgradi potencijal za ekonomičnost.


Do kraja 2010. bi se trebala dovršiti FN

(tanki film) elektrana od 40 MWe u

Njemačkoj:

• 130 M€, 3250 €/kW, 400000 m2


Udio različitih FN tehnologijaPotrošnja silicija u konvencionalnom pristupu je prevelika.Nove tehnologije poput tankog filma rješavaju taj problem.c-Si – kristalni silicijCdTe, CIS, aSi –tanki film


Ukratko

• Grijanje najveći i najisplativiji potencijal

– pasivno

– aktivno

• Posredna pretvorba u el. en. vrlo razvijena

– komercijalno za parabolične protočne elektrane

– veliki broj prototipnih postrojenja za solarne tornjeve

– u razvoju za solarne tanjure

– uz spremanje topline ima veliki potencijal

• FN predstavlja čistu i pouzdanu tehnologiju

– Proizvodnja uložene energije za 1do 4 godina

– Silicij dominira, tanki film dolazi

– Značajnih FN resursa ima i u zemljama na sjeveru

• FN primjena isplativa

– samo u posebnim aplikacijama

– poticaji nužni

• Masovna proizvodnja i inovacije će vjerojatno spustiti cijenu značajno na duži rok:– 750 to 1500 kWh/kW

– za 2010. 2-3 €/Wp

– za 2020. 1 €/Wp i 9 €ct/kWh



Eksperimentalni solarni uređaj na FER-u

• Mjerni uređaj:1. Amorfni Si FN panel

2. Polikristalni Si FN panel

3. Monokristalni FN panel

4. Piranometar

• Kontinuirana mjerenja– Koraci od 6-9 stupnjeva

– -90 do +90 azimut

– 0 do 90 nagib

• Namjena– Karakteriziranje

• solarnog resursa

• FN tehnologija

40

4
